EP2930506B1 - Dispositif de detection a resonateur acoustique differentiel de type helmholtz - Google Patents

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EP2930506B1
EP2930506B1 EP15162230.5A EP15162230A EP2930506B1 EP 2930506 B1 EP2930506 B1 EP 2930506B1 EP 15162230 A EP15162230 A EP 15162230A EP 2930506 B1 EP2930506 B1 EP 2930506B1
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chamber
width
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Salim Boutami
Mickaël BRUN
Pierre Labeye
Sergio Nicoletti
Justin Rouxel
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Definitions

  • the invention relates to the field of photoacoustic detection devices, and in particular that of integrated gas sensors using a photoacoustic effect to measure the concentration of certain gaseous elements.
  • the principle of a measurement of a gas by photoacoustic effect is based on the excitation of an acoustic wave in the gas by a powerful light source such as a pulse laser or modulated amplitude or wavelength.
  • a powerful light source such as a pulse laser or modulated amplitude or wavelength.
  • the wavelength of the mid-infrared radiation (MIR) emitted by the laser is chosen to interact specifically with the molecules of the gas to be detected.
  • the emission of the light source being variable in time, the energy absorbed by the gas molecules is restored in the form of a transient heating that generates a pressure wave, itself measured by an acoustic detector.
  • Detection is improved by confining the gas in a cavity and modulating the laser at an acoustic resonance frequency of the cavity.
  • the amplitude of the acoustic wave obtained is directly related to the concentration of the desired gaseous compound in the gas present in the excited cavity.
  • the effectiveness of the detection relies in large part on the efficient coupling of the light flux from the laser with the gas contained in the resonant cavity because the measured signal is proportional to the energy absorbed and then dissipated by the gas.
  • WO 03/083455 A1 discloses a photoacoustic measuring device for detecting the presence of a gas and having a particular photoacoustic cell structure called "Differential Helmholtz Resonator” (DHR) or differential acoustic resonator Helmholtz type.
  • DHR Different Helmholtz Resonator
  • Such a resonator comprises two identical chambers interconnected by two capillaries.
  • Acoustic resonance is produced by exciting only one of the two chambers. At resonance, the pressures in the two chambers oscillate in phase opposition. The pressures in the chambers are measured by microphones placed in both chambers. With such a resonator, the calculation of the difference between the signals from each chamber, which corresponds to the useful signal, makes it possible to increase the amplitude of the measured signal and to eliminate a part of the surrounding noise, and therefore to have final good signal-to-noise ratio.
  • Another type of differential photoacoustic resonator is described in the document WO 2008/074442 A1 .
  • the document EP 2 515 096 A1 discloses a photoacoustic gas detection device comprising a miniaturized photoacoustic resonator integrated on silicon.
  • the structure of this detector is obtained by the implementation of techniques of the field of microelectronics in several substrates bonded together.
  • the manufacturing process requires placing the MIR waveguide, which allows the laser optical signal to be injected into one of the two chambers, into the lower part of the central substrate which is thinned to a thickness determined by the height of the chambers. .
  • the MIR radiation produced by the laser is transmitted to the excited chamber by a waveguide section comparable to the wavelength of the radiation.
  • the beam undergoes a diffraction due in particular to the small thickness of the silicon, which leads to a significant divergence of the beam.
  • This divergence of the light beam combined with the transparency of the silicon (in which the resonator is manufactured) leads to poor light confinement and therefore to poor light-gas coupling.
  • This phenomenon is exacerbated by the fact that the luminous flux penetrates near the bottom of the chamber.
  • this poor confinement can cause partial illumination of the second chamber (crosstalk phenomenon), which reduces the amplitude of the useful signal obtained.
  • An object of the present invention is to provide a photoacoustic detection device type DHR and integrated, and wherein the confinement of the light beam to be injected into one of the chambers of the device is improved.
  • the confinement of the light beam is improved horizontally via the widening of the second end of the waveguide which is optically coupled to the first chamber which is intended to receive the light beam, because this enlargement makes it possible to reduce or even cancel the diffraction of the light beam in the direction parallel to this width.
  • the confinement of the light beam is further enhanced vertically by the diffraction grating which makes it possible to diffract the light beam in a specific direction towards the reflective layers which make it possible to confine the light beam in the first chamber.
  • width is used here and throughout the rest of the document to designate, in connection with the waveguide, the dimension which lies in a plane of propagation of the light beam in the waveguide and which is perpendicular or substantially perpendicular to a direction of propagation of the light beam in the waveguide. More generally, the term “width” designates the dimension that is perpendicular or substantially perpendicular to a direction of propagation of the light beam in the optical waveguide.
  • the optical waveguide may be such that it operates in the fundamental mode for which the diffraction grating is dimensioned and diffracted at a precise angle.
  • Such monomode operation of the optical waveguide is advantageous because it allows better control of the direction of the light beam. If multiple modes are excited, these modes may diffract in multiple directions.
  • a small difference in index between the core and the sheath of the waveguide can make it possible to limit the variation of the effective index of the guide.
  • the photoacoustic detection device comprises both an optical waveguide whose second end has, at an interface with the first chamber, a width greater than that of the first end and at said wavelength. given, and the diffraction grating disposed in the second end of the waveguide and coupled to the lower and upper reflective layers. This configuration makes it possible to improve the horizontal and vertical confinement of the light beam.
  • the value of the width of the second end is preferably greater than or equal to several times that of said given wavelength.
  • the "DHR" type detection device of the invention is a microelectronic device, that is to say obtained by successive layers deposition, etching, and possibly planarization, implantation and transfer. Such a microelectronic device preferably occupies, on the substrate, an area less than about 25 mm 2 .
  • the lower reflective layer corresponds to the lower reflective layer of the optical waveguide.
  • the upper wall of the first chamber is formed by the upper reflective layer.
  • the device according to the invention operates when the waveguide has a second end wider than the first end and comprises the diffraction grating disposed in the second end of the waveguide.
  • the device also works when the waveguide has a second end wider than the first end but does not have the diffraction grating, or when the waveguide does not have a second wider end. than the first end but that the diffraction grating is disposed in this second end.
  • a ratio between the width of the second end at the interface with the first chamber and the width of the first end may be greater than or equal to 3.
  • the second end may form a portion of the waveguide whose width increases from a first value equal to that of the width of the first end to a second value equal to that of the width of the second end at the level of the interface with the first chamber.
  • the width of the second end may increase over a portion, called the first portion, of the second end whose length may be greater than or equal to about ten times the width of the second end at the interface with the second end. first room.
  • the term "length” here designates, in connection with the waveguide, the dimension which lies in the plane of propagation of the light beam in the waveguide and which is parallel to the direction of propagation of the light beam in the beam. waveguide (and therefore perpendicular to the previously defined width).
  • the terms “thickness” and “height” refer to the dimension that is perpendicular to the width and length.
  • the diffraction grating may be disposed in a portion, called second portion, of the second end whose width may be substantially constant and equal to that at the interface with the first chamber.
  • the diffraction grating may be disposed at an interface between a core layer of the waveguide and a lower cladding layer of the waveguide, the lower cladding layer being able to be arranged between the core layer and the lower reflective layer.
  • the diffraction grating may be able to diffract the light beam such that the first or second portion of the light beam, after reflection on the lower reflective layer and / or the upper reflective layer, reaches a bottom wall of the first chamber which is opposite to that in contact with the second end of the waveguide.
  • the diffraction grating may be dimensioned, in particular with respect to the pitch of the grating, such that the path of the light beam is maximized in the first chamber for the first or the second second part of the light beam.
  • this configuration is advantageous, it is quite possible that the diffraction grating is not dimensioned so that the first or second portion of the light beam reaches after reflection on the lower reflective layer and / or the upper reflective layer. , the bottom wall of the first chamber.
  • the acoustic detectors may be arranged in a first substrate and be coupled to the chambers of the resonator formed in a second substrate secured to the first substrate, volumes of the chambers being able to communicate with each other by capillaries formed in a third substrate secured to the second substrate.
  • the acoustic detectors may be arranged in a first substrate and be coupled to the resonator chambers formed in a second substrate secured to the first substrate, volumes of the chambers communicating with each other by capillaries formed in the second substrate, the second substrate having a thickness of less than 300 ⁇ m.
  • the capillaries and the chambers in the same substrate, it is possible to reduce the thickness of the chambers, and possibly that of the capillaries, to a value of less than 300 ⁇ m.
  • the device may further comprise trenches filled with at least one optically reflective material and arranged around the first chamber, and in particular around the side walls of the first chamber. Such trenches help to improve the horizontal confinement (i.e., in the direction parallel to the waveguide width) of the light beam.
  • the two chambers may have different dimensions relative to each other. Such asymmetry of the chambers can make it possible to optimize the phase opposition of the acoustic signals measured in the two chambers.
  • the acoustic detectors may include piezoresistive microphones of the beam type.
  • the invention also relates to a gas detection device comprising at least one photoacoustic detection device as described. previously and further comprising gas inlet and outlet channels communicating with the chambers of the resonator, for example via the capillaries, and wherein the wavelength to be emitted by the light source corresponds to a absorption wavelength of a gas to be detected.
  • a gas detection device thus forms a low-cost gas sensor that can be used, for example, in the field of outdoor gas detection (pollution detection, measurement of greenhouse gases, etc.) or indoors (quality of the gas). indoor air, air conditioning, detection of substances in indoor space, etc.).
  • FIG. 1 schematically represents a photoacoustic detection device 100 according to a particular embodiment.
  • This photoacoustic detection device 100 corresponds to a gas detection device.
  • the device 100 comprises a powerful light source 102, corresponding here to a laser.
  • This laser may correspond to a QCL type laser (quantum cascade laser) emitting in the MIR domain, for example at wavelengths of between approximately 3 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the device 100 also comprises a power supply of the light source 102 and modulation means of the light beam emitted at an acoustic resonance frequency of the cavity in which the beam is intended to be sent.
  • the use of a light source 102 collimated in the device 100 makes it possible to greatly increase the signal / noise factor, for example by a factor of 2
  • the window noise corresponds to the parasitic acoustic signal that all solid parts emit when struck by the modulated light wave.
  • the emitted light beam is then transmitted in an optical waveguide 104, advantageously monomode and for example formed of a stack Si / Ge / Si, or SiN / Si / SiN, or more generally a stack of a first optical index material ni, a second material of optical index n 2 > ni, and a third material of optical index n 3 ⁇ n 2 (with n 3 possibly equal to ni), these three materials being transparent to the wavelength emitted by the light source 102.
  • the optical waveguide 104 has a first end 105 optically coupled to the light source 102.
  • the coupling between the light source 102 and the waveguide 104 may be performed directly, for example by evanescent waves, or via the use of a coupler (not shown in FIG. figure 1 ) for example typing type (forming an extruded elongate trapezium).
  • the device 100 also comprises an inlet channel 114 making it possible to bring the gas into the chambers 106 and 108 via the capillary 110, and an outlet channel 116 making it possible to evacuate the gas from the chambers 106 and 108 via the capillary 112 .
  • the inlet and outlet channels 114 and 116 are connected to the capillaries 110 and 112 approximately at the level of the middle of these capillaries 110, 112.
  • Acoustic detectors (not visible on the figure 1 ) such as miniaturized piezoresistive microphones, for example membrane or beam type, are also coupled to the chambers 106, 108 in order to carry out the pressure measurements in the chambers 106, 108.
  • each of the chambers 106, 108 can be coupled to one or several microphones, for example up to eight microphones per room.
  • the device 100 also comprises electronic circuits for processing the signals delivered by the acoustic detectors which are not represented on the screen. figure 1 .
  • the operating principle of the device 100 is similar to that described in the document EP 2 515 096 A1 and is therefore not described in detail here.
  • the device 100 comprises an element for controlling the horizontal divergence (along the axis y represented on the figure 1 ) of the light beam at the interface between the first chamber 106 and the second end 107 of the waveguide 104, and an element for controlling the vertical divergence (along the z axis shown in FIG. figure 1 ) of the light beam at this interface.
  • the second end 107 of the waveguide 104 is made such that its width (dimension along the y axis), that is to say, its dimension lying in the plane of propagation of the light beam and which is perpendicular to the direction of propagation of the light beam, increases in order to achieve the horizontal confinement of the light beam because this increase in the width of the second end 107 of the waveguide 104 causes a diffraction reduction in the direction of this widening.
  • This widening of the second end 107 of the waveguide 104 is shown schematically on the figure 2 which represents a view from above of the waveguide 104 at its second end 107 which is at the interface with the first chamber 106.
  • This widening of the second end 107 of the waveguide 104 is progressive and preferably as it retains the monomode character of the transmission of the light beam into the first chamber 106.
  • Such a broadening can be described as adiabatic when the effective index varies linearly and that it preserves the monomode character while minimizing the length of this second end 107.
  • the second end 107 of the waveguide 104 may for example have an initial width, equal to that of the rest of the waveguide 104 and in particular equal to that at the first end 105, equal to about 3 ⁇ m, or between about 3 ⁇ m and 8 ⁇ m, and a final width (width at the interface with the first chamber 106) equal to about 30 ⁇ m, or com taken between about 30 ⁇ m and 40 ⁇ m or between about 30 ⁇ m and 50 ⁇ m, that is to say here a ratio between the final width and the initial width of between about 10 and 13.33.
  • the ratio between the final width and the initial width is, for example, between approximately 3 and 20, and for example approximately 10.
  • this enlargement is example made over a length of about 300 microns, or between about 50 microns and 500 microns.
  • the value of the initial width may be of the order of that of the wavelength of the light beam emitted to achieve monomode guidance of this light beam, and the value of the final width is greater than that of this length of light. wave to obtain a horizontal confinement of the light beam.
  • Controlling the vertical divergence of the light beam is achieved by means of a diffraction grating 118 made at the second end 107 of the waveguide 104, and more particularly at a portion of this second end 107 whose width is substantially constant and equal to that at the interface with the first chamber 106.
  • This control of the vertical divergence of the light beam is also achieved through a lower reflective layer 120 disposed under the second end 107 and extending to at the inlet face of the first chamber 106, and through an upper reflective layer 122 disposed at the upper wall of the chamber 106.
  • the diffraction grating 118 comprises a series of parallel grooves, or slots, made in the core layer of the waveguide 104 (which is for example based on germanium), the grooves being filled with a material of have the refractive index is lower than that of the material of the core layer, for example by SiO 2 , silicon nitride, etc.
  • the diffraction grating 118 is for example made over a length of about 1 mm to obtain a sufficient decoupling efficiency of the order of 60%.
  • the figure 3 represents the second end 107 of the waveguide 104 formed by a first layer 124 of silicon, on which is disposed a core layer 126, for example germanium, itself covered by a second layer 128 of silicon, the layers 124 and 128 forming the lower and upper cladding layers of the waveguide 104.
  • the core layer 126 could be silicon, and the layers 124 and 128 made of SiN.
  • the diffraction grating 118 is preferably made at the lower part of the core layer 126 which is in contact with the lower cladding layer 124 in order to avoid, when carrying out the diffraction grating 118, a step of epitaxial resumption of the core material on a non-planar silicon layer.
  • the diffraction grating 118 is made at the top of the core layer 126 which is in contact with the upper cladding layer 128.
  • one or more acoustic detectors are coupled to the first chamber 106, at the bottom wall of the chamber 106, and to the second chamber 108.
  • a first portion 130 of the light rays diffracted by the diffraction grating 118 are oriented downwards, that is to say towards the lower reflective layer 120, and a second portion 132 of the light rays diffracted by the diffraction grating 118 are upwards, that is to say towards the upper reflective layer 122.
  • the pitch of the diffraction grating 118 is calculated so that the diffraction angle of the rays 130 and 132 (this angle being the same for the rays 130 and 132) is such that the downwardly directed rays 130 or the upwardly directed spokes 132 pass through the entire length of the first chamber 106, which is for example about 2.6 mm, to maximize the path length. light radiation in the first chamber 106.
  • this diffraction angle is such that the rays 130, which are first reflected on the lower reflective layer 120, cross the entire length of the first chamber 106, this crossing of the first chamber 106 being made with a reflection on the upper reflector layer 122 to maximize the path length in the first chamber 106.
  • the diffraction grating 118 could be such that the diffraction angle formed by the rays diffracted by the grating 118 allows the rays 132 to traverse any the length of the first chamber 106.
  • the diffraction angle formed by the other rays (the rays 132 in the example of the figure 3 ) will be similar to that for rays whose path is maximized in the first chamber 106. However, it is necessary to have a diffraction angle sufficiently small for these other rays to still move towards the entrance face of the chamber 106.
  • the light source 102 emits laser radiation in the MIR domain at a wavelength ⁇ equal to 4 ⁇ m.
  • this diffraction grating 118 is produced over a length of about 1 mm on a waveguide 104 whose width goes from 3 ⁇ m to 30 ⁇ m over a length of about 300 ⁇ m, an absorption of about 11.1 mW per W incident (power of the beam entering the chamber) in the CO 2 contained in the ambient air is obtained, while an absorption of 4.6 mW per incident W is obtained without these elements allowing the confinement of the light beam . A factor of about 2.5 is obtained on the proportion of signal transmitted in the first chamber 106 through the confinement means used.
  • the widening of the second end 107 of the waveguide 104 has another effect of reducing the crosstalk because the second chamber 108 is not or only slightly illuminated by the light beam sent into the first chamber 106.
  • the degree of filling of the grooves in the diffraction grating 118 is involved in the decoupling performed. It is determined by simulation and is for example equal to about 50%.
  • the device 100 may comprise chambers 106 and 108 that do not have similar dimensions. Indeed, since the device 100 is a miniaturized device produced via the implementation of microelectronics techniques and MEMS / NEMS systems, it may appear a phase opposition between the pressure signals measured in the two chambers 106 and 108 which is imperfect when the dimensions of the chambers 106 and 108 are identical. The subtraction of these two signals which is performed to obtain the desired measurement is then not optimal. In order to improve this phase opposition, it is possible that the widths and / or the lengths of the chambers 106 and 108 are different from one another. An optimization by simulation (for example by solving the equation of the pressure field in the device 100, with chambers 106 and 108 of different sizes), for example via a calculation by the finite element method, leads to the optimum ratio of the dimensions. rooms 106 and 108.
  • the curve represented on the figure 4 corresponds to the amplitude of the signal obtained (in Pa, and corresponding to the difference of the pressures measured by the acoustic detectors in the two chambers 106 and 108) as a function of the width of the second chamber 108 (in ⁇ m), for a first chamber 106 of width equal to about 300 microns. It can be seen in this figure that the maximum amplitude of the signal is not obtained for a second chamber 108 having a width similar to that of the first chamber 106, that is to say equal to about 300 ⁇ m, but for a width greater than 300 ⁇ m in this particular case. In other cases, the maximum amplitude of the signal can be obtained for a second chamber 108 having a width smaller than that of the first chamber 106.
  • the device 100 can be made with only two substrates.
  • the capillaries 114 and 116 are made in the second substrate in which the chambers 106 and 108 are made.
  • the capillaries 114 and 116 can in this case have a height similar to that of the chambers 106 and 108.
  • a device 100 made with only two substrates allows the production of chambers 106 and 108, the thickness of which is for example between about 300 ⁇ m and 100 ⁇ m, but remains compatible with the production of chambers 106 and 108 of thickness greater than about 300. .mu.m.
  • the curve 10 represented on the figure 5 corresponds to the amplitude of the signal obtained (in Pa, and corresponding to the difference of the pressures measured by the acoustic detectors in the two chambers 106 and 108) as a function of the distance between the capillaries 110 and 112 for a device 100 whose chambers 106 and 108 have a thickness equal to about 300 microns, and the curve 12 corresponds to the amplitude of the signal obtained for a device 100 whose chambers 106 and 108 have a thickness equal to about 200 microns.
  • the figure 5 illustrates well that the amplitude of the signal represented by the curve 12 is greater than that obtained for the signal represented by the curve 10.
  • the amplitude of the output signal is impacted by the distance between the capillaries 110 and 112 because of the energy losses in the boundary layers and the particular shape of the gas flow.
  • FIG. 6A to 6I An exemplary method for producing the photoacoustic detection device 100 is described in connection with the Figures 6A to 6I which represent schematic sectional views of the elements of the device 100.
  • the device 100 is made via an assembly of three substrates.
  • the Figures 6A to 6F represent the steps concerning the realization of the second middle substrate which comprises the waveguide 104, the diffraction grating 118 and the chambers 106 and 108, as well as other elements such as the electrical contacts of the acoustic detectors.
  • the Figures 6G to 6I represent the subsequent steps of the method in which the second middle substrate is secured to the first lower substrate and to the third upper substrate forming in particular the cover of the chambers 106 and 108.
  • the second middle substrate corresponds to a bulk substrate 134 ("bulk") semiconductor, here based on silicon.
  • the material located at an upper face of the substrate 134 corresponds to the material which will form the upper cladding layer 128 of the waveguide 104.
  • a first deposition or epitaxial growth of a d-based layer 136 is then performed.
  • a material with a refractive index greater than that of the substrate material 134 and transparent at the wavelength or wavelengths intended to be transmitted by the waveguide 104 here a material that is transparent in the infrared and for lengths waves between about 3 microns and 10 microns.
  • Part of this layer 136 for example formed by epitaxy, is intended to form the core layer 126 of the waveguide 104.
  • the thickness and the material of the layer 136 are chosen so that the waveguide 104 can perform monomode guidance of the light beam.
  • the thickness of the layer 136 is for example between about 1 and 10 microns, and is for example based on germanium or SiGe depending on the desired material to form the core layer 126 of the waveguide 104.
  • the SiGe germanium composition i.e., the proportion of germanium in SiGe, may be constant or vary along the thickness of the layer 136 to achieve a core layer comprising an index gradient according to a profile (in the direction of the thickness of the layer 136) that can be triangular or trapezoidal.
  • the germanium composition within the layer 136 may form, along the thickness of this layer, a triangular profile.
  • the layer 136 may be based on SiGe and have a constant germanium concentration along the thickness of this layer and for example equal to 40%, the layer 136 having in this case a thickness for example equal to 2.7 microns.
  • the diffraction grating 118 is then produced at the level of the upper face of the layer 136.
  • a lithography and an etching of the RIE (reactive ion etching) or DRIE (deep reactive ion etching) type are implemented at the same time.
  • the intended location of the diffraction grating 118 i.e. at the portion of the second end 107 of the waveguide 104 which is intended to be near the intended location of the first chamber 106 which is intended to receive the light beam.
  • Photolithography and etching are implemented such that they form, in part of the thickness of the layer 136 (the thickness of the layer 136 being for example between about 1 ⁇ m and 10 ⁇ m), the grooves of the diffraction grating whose dimensions and spacing correspond to the calculated values in order to obtain the desired diffraction angle, as previously described.
  • the layer 138 is then planarized, for example via a chemical mechanical planarization (CMP) with a stop on the upper face of the layer 136, so that the low index material is only preserved in the patterns of the diffraction grating 118.
  • CMP chemical mechanical planarization
  • the core of the waveguide 104 is then made by lithography and etching of the layer 136 so that at least a portion of the remaining portions of the layer 136 form the core layer 126 of the waveguide 104. This etching is not visible on Figures 6A-6I . This engraving is done through a part or the all of the thickness of the layer 136 according to the desired structure to form the core of the waveguide 104.
  • the layer 136 may be etched such that the remaining portion forming the waveguide 104 has a width equal to about 3.3 microns, or between about 3.3 microns and 8 microns, which allows it to perform a single-mode guide of a light beam with a wavelength equal to 4.5 ⁇ m.
  • the second end 107 of the waveguide 104 is made with a progressive widening to allow a transmission of the fundamental mode of the light beam for which the diffraction grating 118 is optimized while reducing the diffraction of the beam in the direction enlargement, and thus improve the horizontal confinement of the light beam.
  • the remaining portion or portions of the layer 136 are then covered by the deposition or the epitaxial growth of a layer 140 intended to form the lower cladding layer 124 of the waveguide 104, which is therefore based on a material of lower refractive index than that of the core layer, and for example based on silicon in the case of a SiGe core layer.
  • This layer 140 is then planarized for example via a CMP so that the upper face of the layer 104 forms a flat surface ( Figure 6C ).
  • the realization of the diffraction grating 118 could be simplified by implementing a single lithography step, a single etching step and a single CMP step.
  • the waveguide 104 Materials other than silicon and germanium may be used to produce the waveguide 104, these materials must however allow transmission of the wavelength of the light beam and be compatible with the techniques used to produce the device. It is however possible to make the waveguide 104 with a silicon core layer and disposed between two SiN cladding layers.
  • a dielectric layer 142 is then deposited on the layer 140, for example based on SiO 2 and having a thickness equal to about 1 ⁇ m, or based on SiN or Al 2 O 3 .
  • This dielectric layer 142 is etched at locations intended for forming electrical contact reversals of the acoustic detectors of the device 100 ( Figure 6D ).
  • An electrically conductive layer for example based on metal, is then deposited on the dielectric layer 142.
  • This electrically conductive layer is for example based on AISi (comprising about 1% silicon).
  • the electrically conductive layer is then etched so that remaining portions 144 of this layer, filling in particular the locations previously etched in the dielectric layer 142, form the electrical contacts of the acoustic detectors.
  • At least one other remaining portion 146 of this electrically conductive layer may also be retained in order to form the lower reflector layer 120, especially when the material of the dielectric layer 142 does not allow this light reflection function diffracted by the grating network.
  • diffraction 118 is filled by layer 142 ( figure 6E ).
  • this light reflection function is fulfilled by the layer 142 because a luminous reflection total occurs at the Si / SiO 2 interface due to the low angle of incidence of the light beam diffracted by the diffraction grating 118.
  • Another dielectric layer 147 is then deposited by covering the remaining portions 144, 146.
  • a sealing layer is then produced in order subsequently to enable the second middle substrate to be joined with the first substrate comprising the acoustic detectors.
  • This sealing layer may correspond either to a metal layer, for example a gold-based layer with a thickness of about 800 nm, or an aluminum-based layer with a thickness of about 400 nm, placed on a metal layer. germanium layer of thickness equal to about 200 nm, for performing eutectic sealing with the semiconductor (eg silicon) of the first substrate.
  • This sealing layer may also correspond to a polymer layer, for example with a thickness of about 1 ⁇ m. As shown on the figure 6F this sealing layer is etched so as to keep sealing portions 148 only in certain places. In addition, some of remaining sealing portions are electrically connected to the remaining conductive portions 144 with forming the electrical contacts which will be electrically connected to the acoustic detectors of the device 100.
  • the second middle substrate 150 obtained by implementing the previously described steps is returned and secured to the first substrate, referenced 152, which comprises the acoustic detectors and other electrical and / or electronic elements not visible on the Figures 6A-6I .
  • the diffraction grating 118 Due to the overturning of the second middle substrate 150, the diffraction grating 118 is located in the lower part of the core layer 126 of the waveguide 104, as previously described in connection with FIG. figure 3 .
  • Acoustic detectors 154 which are piezoresistive microphones of the beam type, are arranged near the part of the second substrate 150 in which the chambers 106 and 108 are intended to be made, and are electrically connected to the electrical contacts 144 previously made.
  • the detectors 154 are disposed in an etched portion 156 of the first substrate 152 which will subsequently make it possible to vent the detectors 154 so that they are subjected to atmospheric pressure.
  • the detectors 154 are connected to stress nanojauges 158 allowing the transformation of the pressures measured by the acoustic detectors 154 into electrical signals.
  • the second middle substrate 150 can be thinned to the desired thickness corresponding to the desired height of the chambers 106 and 108, for example equal to 300 ⁇ m ( Figure 6H ). This thinning is achieved by reducing the thickness of the massive layer 134.
  • Steps of lithography and etching are then carried out through the second middle substrate 150 to form the chambers 106 and 108.
  • the light of the laser light source 102 can be injected directly into the waveguide 104, the light source 102 being in this case coupled end-to-end with the waveguide 104 via a so-called “hybrid” coupling. It is it is also possible to have a “heterogeneous” coupling in which the laser light source 102, for example of the QCL type and made of III-V material, is attached to the silicon substrate. An additional structure, formed for example by lithography and etching, ensures in this case the coupling between the waveguide 104 and the light source 102.
  • the epitaxial layers of the QCL laser can be transferred to the silicon by direct bonding, as described by example in the document "Electrically driven hybrid Si / III-V Fabry-Perot lasers based on adiabatic mode transformers" by B. Ban Bakir et al., Opt. Express 2011, vol. 19, No. 11, May 23, 2011 .
  • the third upper substrate 160 is secured to the second substrate 150 thinned medium.
  • the capillaries 110 and 112 are made in the third upper substrate 160 prior to the joining of this third substrate 160 with the second middle substrate 150.
  • the fastening is implemented via a eutectic sealing layer, for example formed of a stack of a layer of tungsten with a thickness of 50 nm, a layer of tungsten nitride with a thickness of 50 nm and a gold layer with a thickness of 800 nm, deposited and then structured in the form of
  • the third substrate 160 forms, in particular, the upper walls of the chambers 106 and 108.
  • one of the remaining portions of the sealing layer may be used to form the upper reflective layer 122 in the first chamber 106.
  • the eutectic seal is made between the gold layer of the sealing bead 162 and the silicon (corresponding to the material of the thinned layer 134) of the second middle substrate 150 .
  • the capillaries 110, 112 may be made after deposition and structuring of the eutectic sealing layer.
  • the upper reflective layer 122 is subsequently deposited for example through a stencil to locate this layer at the portion of the third upper substrate 160 intended to form the upper wall of the first chamber 106.
  • the inlet 114 and outlet 116 channels are made through the first lower substrate 152.
  • Other openings 164 are made through the first lower substrate 152 in particular for the acoustic detectors 154 to be at atmospheric pressure and to form accesses for etching portions of temporary dielectric material present in the substrates, in contact in particular with the acoustic detectors 154 and with the metal portions 144, 146.
  • the capillaries 110 and 112 are made in the same layer as the chambers 106 and 108, that is to say in the second substrate 150.
  • the upper reflective layer is made via a stencil metallization step at the bottom wall of the cavity intended to form the first chamber 106, prior to the joining of the two substrates.
  • the diffraction grating 118 is dimensioned in particular as a function of the wavelength of the light beam intended to be diffracted, the wavelength of the light beam being adapted according to the nature of the gas to be detected.
  • the device 100 can be adapted to perform a detection of several types of gas by producing in the device 100 several parallel waveguides which open on one or two input faces (on each side) of the first chamber 106, each waveguides being coupled to a light source emitting at a different wavelength, for example between 4 .mu.m and 5 .mu.m, which is intended to be diffracted by the diffraction grating produced on each of the waveguides.
  • An optical multiplexer can also be used so that the chamber 106 can receive different wavelengths, as described in the document EP 2 515 096 A1 .
  • the two chambers 106 and 108 can be coupled to light sources emitting, for example, at different wavelengths from one another, which makes it possible to excite the gas present in one or the other other chambers 106 and 108 according to the gas to be detected.
  • the horizontal confinement of the light beam is achieved by widening the second end 107 of the waveguide 104.
  • This horizontal confinement can be improved by making trenches filled with a reflective material, by example a metal such as gold, aluminum, around the first chamber 106. These trenches are sufficiently remote, for example a few tens of microns, the first chamber 106 to not add thermal background noise, related to the absorption of infrared radiation by the materials surrounding the excited chamber.
  • Such trenches can be made in the second substrate 150, for example during the etching of the chambers 106 and 108.
  • the inlet and outlet channels 114 114 are connected to the capillaries 110 and 112 substantially at the middle of these capillaries 110, 112.
  • these input and output channels 116 may be connected to the capillaries 110 and 112 at a different level than their medium, without disturbing the symmetry of the gas flow in the device 100. .
  • the capillaries 110, 112 are placed at the ends of the chambers 106, 108. Such a configuration makes it possible to increase by about 5% the amplitude of the signal measured by acoustic detectors.

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Description

    DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
  • L'invention concerne le domaine des dispositifs de détection photoacoustique, et notamment celui des capteurs de gaz intégrés faisant appel à un effet photoacoustique pour mesurer la concentration de certains éléments gazeux.
  • Le principe d'une mesure d'un gaz par effet photoacoustique repose sur l'excitation d'une onde acoustique dans le gaz par une source lumineuse puissante telle qu'un laser pulsé ou modulé en amplitude ou en longueur d'onde. La longueur d'onde du rayonnement moyen-infrarouge (MIR) émis par le laser est choisie pour interagir spécifiquement avec les molécules du gaz à détecter. L'émission de la source lumineuse étant variable dans le temps, l'énergie absorbée par les molécules gazeuses est restituée sous la forme d'un échauffement transitoire qui génère une onde de pression, elle-même mesurée par un détecteur acoustique.
  • La détection est améliorée en confinant le gaz dans une cavité et en modulant le laser à une fréquence de résonance acoustique de la cavité. L'amplitude de l'onde acoustique obtenue est directement liée à la concentration du composé gazeux recherché dans le gaz présent dans la cavité excitée.
  • L'efficacité de la détection repose en grande partie sur le couplage efficace du flux lumineux issu du laser avec le gaz contenu dans la cavité résonnante car le signal mesuré est proportionnel à l'énergie absorbée, puis dissipée, par le gaz.
  • Le document WO 03/083455 A1 décrit un dispositif de mesure photoacoustique permettant de détecter la présence d'un gaz et comportant une structure particulière de cellule photoacoustique dite « Differential Helmholtz Resonator » (DHR), ou résonateur acoustique différentiel de type Helmholtz. Un tel résonateur comporte deux chambres identiques reliées entre elles par deux capillaires.
  • La résonance acoustique est produite en excitant une seule des deux chambres. A la résonance, les pressions dans les deux chambres oscillent en opposition de phase. Les pressions dans les chambres sont mesurées par des microphones placés dans les deux chambres. Avec un tel résonateur, le calcul de la différence entre les signaux issus de chaque chambre, qui correspond au signal utile, permet d'augmenter l'amplitude du signal mesuré et d'éliminer une partie du bruit environnant, et donc d'avoir au final un bon rapport signal sur bruit. Un autre type de résonateur photoacoustique différentiel est décrit dans le document WO 2008/074442 A1 .
  • De tels dispositifs ont toutefois pour inconvénients d'être limités à des appareils de laboratoire non miniaturisés, d'avoir des longueurs d'onde de transmission limitées, d'être sensibles aux variations de température et aux vibrations, et d'avoir de fortes contraintes de positionnement et d'alignement de leurs éléments pour leur réalisation.
  • Une miniaturisation d'un tel dispositif à l'échelle millimétrique est proposée dans le document US 7,304,732 B1 . Cette miniaturisation permet d'avoir un plus fort signal de pression produit par le capteur du fait que ce signal croît quand la taille du résonateur est réduite. Les résonateurs DHR sont particulièrement bien adaptés à la miniaturisation et à l'intégration sur silicium car ils sont relativement insensibles à la localisation du dépôt d'énergie thermique et car, la pression étant quasi-constante dans chaque chambre, il est possible de multiplier le nombre de microphones par chambre pour améliorer le rapport signal sur bruit.
  • Le document EP 2 515 096 A1 décrit un dispositif de détection de gaz photoacoustique comportant un résonateur photoacoustique miniaturisé intégré sur silicium. La structure de ce détecteur est obtenue par la mise en oeuvre de techniques du domaine de la microélectronique dans plusieurs substrats collés entre eux. Le processus de fabrication impose de placer le guide d'onde MIR, qui permet d'injecter le signal optique laser dans l'une des deux chambres, dans la partie inférieure du substrat central qui est aminci à une épaisseur déterminée par la hauteur des chambres.
  • La miniaturisation et l'intégration sur silicium de ce type de détecteur posent toutefois un problème. En effet, le rayonnement MIR produit par le laser est transmis jusqu'à la chambre excitée par un guide d'onde de section comparable à la longueur d'onde du rayonnement. A l'entrée de la chambre excitée, le faisceau subit une diffraction due notamment à la faible épaisseur du silicium, ce qui conduit à une importante divergence du faisceau. Cette divergence du faisceau lumineux, alliée à la transparence du silicium (dans lequel est fabriqué le résonateur), conduit à un mauvais confinement de la lumière et donc à un mauvais couplage lumière-gaz. Ce phénomène est exacerbé par le fait que le flux lumineux pénètre à proximité du bas de la chambre. De plus, ce mauvais confinement peut entraîner une illumination partielle de la deuxième chambre (phénomène de diaphonie), ce qui réduit l'amplitude du signal utile obtenu.
    • EXPOSÉ DE L'INVENTION
  • Un but de la présente invention est de proposer un dispositif de détection photoacoustique de type DHR et intégré, et dans lequel le confinement du faisceau lumineux destiné à être injecté dans l'une des chambres du dispositif soit amélioré.
  • Pour cela, la présente invention propose un dispositif de détection photoacoustique comprenant :
    • au moins un substrat comportant des cavités formant un résonateur acoustique différentiel de type Helmholtz (ou DHR);
    • des détecteurs acoustiques couplés à deux desdites cavités formant des chambres du résonateur ;
    • une source lumineuse apte à émettre un faisceau lumineux à au moins une longueur d'onde donnée ;
    • un guide d'onde optique comportant une première extrémité couplée optiquement à la source lumineuse et une deuxième extrémité couplée optiquement à une première des deux chambres ;
    dans lequel la deuxième extrémité comporte, au niveau d'une interface avec la première chambre, une largeur de valeur supérieure à celle de la largeur de la première extrémité et supérieure à celle de ladite au moins une longueur d'onde donnée, et/ou dans lequel le dispositif de détection photoacoustique comporte au moins un réseau de diffraction disposé dans la deuxième extrémité du guide d'onde et apte à diffracter une première partie du faisceau lumineux vers une couche réflectrice inférieure disposée sous la deuxième extrémité et une deuxième partie du faisceau lumineux vers une couche réflectrice supérieure disposée au niveau d'une paroi supérieure de la première chambre.
  • Dans ce dispositif de détection photoacoustique, le confinement du faisceau lumineux est amélioré horizontalement via l'élargissement de la deuxième extrémité du guide d'onde qui est couplée optiquement à la première chambre qui est destinée à recevoir le faisceau lumineux, du fait que cet élargissement permet de réduire voire d'annuler la diffraction du faisceau lumineux dans la direction parallèle à cette largeur. Le confinement du faisceau lumineux est en outre amélioré verticalement grâce au réseau de diffraction qui permet de diffracter le faisceau lumineux dans une direction spécifique vers les couches réflectrices qui permettent de confiner le faisceau lumineux dans la première chambre.
  • Le terme « largeur» est utilisé ici et dans tout le reste du document pour désigner, en liaison avec le guide d'onde, la dimension qui se trouve dans un plan de propagation du faisceau lumineux dans le guide d'onde et qui est perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire à une direction de propagation du faisceau lumineux dans le guide d'onde. Plus généralement le terme « largeur» désigne la dimension qui est perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire à une direction de propagation du faisceau lumineux dans le guide d'onde optique.
  • De préférence, le guide d'onde optique peut être tel qu'il fonctionne sur le mode fondamental pour lequel le réseau de diffraction est dimensionné et diffracte à un angle bien précis. Un tel fonctionnement monomode du guide d'onde optique est avantageux car il permet un meilleur contrôle de la direction du faisceau lumineux. Si plusieurs modes sont excités, ces modes peuvent diffracter dans plusieurs directions. Toutefois, dans le cas d'un guide d'onde multimodes, un faible écart d'indice entre le coeur et la gaine du guide d'onde peut permettre de limiter la variation de l'indice effectif du guide.
  • Avantageusement, le dispositif de détection photoacoustique comporte à la fois un guide d'onde optique dont la deuxième extrémité a, au niveau d'une interface avec la première chambre, une largeur supérieure à celle de la première extrémité et à ladite longueur d'onde donnée, et le réseau de diffraction disposé dans la deuxième extrémité du guide d'onde et couplé aux couches réflectrices inférieure et supérieure. Cette configuration permet d'améliorer le confinement horizontal et vertical du faisceau lumineux.
  • La valeur de la largeur de la deuxième extrémité est de préférence supérieure ou égale à plusieurs fois celle de ladite longueur d'onde donnée.
  • Le dispositif de détection de type « DHR » de l'invention est un dispositif microélectronique, c'est-à-dire obtenu par des étapes successives de dépôt de couches, de gravure, et éventuellement de planarisation, d'implantation et de report. Une tel dispositif microélectronique occupe préférentiellement, sur le substrat, une surface inférieure à environ 25 mm2.
  • La couche réflectrice inférieure correspond à la couche réflectrice inférieure du guide d'onde optique.
  • La paroi supérieure de la première chambre est formée par la couche réflectrice supérieure.
  • Le dispositif selon l'invention fonctionne lorsque le guide d'onde comporte une deuxième extrémité plus large que la première extrémité et qu'il comporte le réseau de diffraction disposé dans la deuxième extrémité du guide d'onde. Toutefois, le dispositif fonctionne également lorsque le guide d'onde comporte une deuxième extrémité plus large que la première extrémité mais qu'il ne comporte pas le réseau de diffraction, ou bien lorsque le guide d'onde ne comporte pas une deuxième extrémité plus large que la première extrémité mais que le réseau de diffraction est disposé dans cette deuxième extrémité.
  • Un rapport entre la largeur de la deuxième extrémité au niveau de l'interface avec la première chambre et la largeur de la première extrémité peut être supérieur ou égal à 3.
  • La deuxième extrémité peut former une portion du guide d'onde dont la largeur croit depuis une première valeur égale à celle de la largeur de la première extrémité jusqu'à une deuxième valeur égale à celle de la largeur de la deuxième extrémité au niveau de l'interface avec la première chambre.
  • Dans ce cas, la largeur de la deuxième extrémité peut croitre sur une partie, appelée première partie, de la deuxième extrémité dont la longueur peut être supérieure ou égale à environ dix fois la largeur de la deuxième extrémité au niveau de l'interface avec la première chambre. Le terme « longueur » désigne ici, en liaison avec le guide d'onde, la dimension qui se trouve dans le plan de propagation du faisceau lumineux dans le guide d'onde et qui est parallèle à la direction de propagation du faisceau lumineux dans le guide d'onde (et donc perpendiculaire à la largeur précédemment définie). Les termes « épaisseur » et « hauteur » font référence à la dimension qui est perpendiculaire à la largeur et à la longueur. Une telle croissance progressive de la largeur de la deuxième extrémité du guide d'onde permet de bien conserver le caractère monomode de la transmission du faisceau lumineux réalisée par le guide d'onde.
  • Le réseau de diffraction peut être disposé dans une partie, appelée deuxième partie, de la deuxième extrémité dont la largeur peut être sensiblement constante et égale à celle au niveau de l'interface avec la première chambre.
  • Le réseau de diffraction peut être disposé au niveau d'une interface entre une couche de coeur du guide d'onde et une couche de gainage inférieure du guide d'onde, la couche de gainage inférieure pouvant être disposée entre la couche de coeur et la couche réflectrice inférieure.
  • Le réseau de diffraction peut être apte à diffracter le faisceau lumineux tel que la première ou la deuxième partie du faisceau lumineux atteigne, après une réflexion sur la couche réflectrice inférieure et/ou la couche réflectrice supérieure, une paroi de fond de la première chambre qui est opposée à celle en contact avec la deuxième extrémité du guide d'onde. Ainsi, le réseau de diffraction peut être dimensionné, notamment en ce qui concerne le pas du réseau, tel que le trajet du faisceau lumineux soit maximisé dans la première chambre pour la première ou la deuxième partie du faisceau lumineux. Bien que cette configuration soit avantageuse, il est tout à fait possible que le réseau de diffraction ne soit pas dimensionné pour que la première ou la deuxième partie du faisceau lumineux atteigne, après une réflexion sur la couche réflectrice inférieure et/ou la couche réflectrice supérieure, la paroi de fond de la première chambre.
  • Les détecteurs acoustiques peuvent être disposés dans un premier substrat et être couplés aux chambres du résonateur formées dans un deuxième substrat solidarisé au premier substrat, des volumes des chambres pouvant communiquer entre eux par des capillaires formés dans un troisième substrat solidarisé au deuxième substrat.
  • En variante, les détecteur acoustiques peuvent être disposés dans un premier substrat et être couplés aux chambres du résonateur formées dans un deuxième substrat solidarisé au premier substrat, des volumes des chambres communiquant entre eux par des capillaires formés dans le deuxième substrat, le deuxième substrat ayant une épaisseur inférieure à 300 µm. Ainsi, en formant les capillaires et les chambres dans un même substrat, il est possible de réduire l'épaisseur des chambres, et éventuellement celle des capillaires, à une valeur inférieure à 300 µm.
  • Le dispositif peut comporter en outre des tranchées remplies d'au moins un matériau optiquement réfléchissant et disposées autour de la première chambre, et notamment autour des parois latérales de la première chambre. De telles tranchées contribuent à améliorer le confinement horizontal (c'est-à-dire dans la direction parallèle à la largeur du guide d'onde) du faisceau lumineux.
  • Les deux chambres peuvent comporter des dimensions différentes l'une par rapport à l'autre. Une telle asymétrie des chambres peut permettre d'optimiser l'opposition de phase des signaux acoustiques mesurés dans les deux chambres.
  • Les détecteurs acoustiques peuvent comporter des microphones piézorésistifs de type poutre.
  • L'invention concerne également un dispositif de détection de gaz, comportant au moins un dispositif de détection photoacoustique tel que décrit précédemment et comportant en outre des canaux d'entrée et de sortie de gaz communiquant avec les chambres du résonateur, par exemple par l'intermédiaire des capillaires, et dans lequel la longueur d'onde destinée à être émise par la source lumineuse correspond à une longueur d'onde d'absorption d'un gaz destiné à être détecté. Un tel dispositif forme ainsi un capteur des gaz à faible coût pouvant être utilisé par exemple dans le domaine de la détection de gaz en extérieur (détection de pollution, mesure des gaz à effet de serre, etc.) ou en intérieur (qualité de l'air intérieur, climatisation, détection de substances dans espace intérieur, etc.).
  • L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif de détection photoacoustique, comportant au moins les étapes de :
    • réalisation, dans au moins un substrat, d'un guide d'onde optique comportant une première extrémité et une deuxième extrémité,
    • réalisation d'une source lumineuse apte à émettre un faisceau lumineux à au moins une longueur d'onde donnée et telle que la source lumineuse soit couplée optiquement à la première extrémité du guide d'onde,
    • réalisation, dans ledit au moins un substrat, de cavités formant un résonateur acoustique différentiel de type Helmholtz, deux desdites cavités formant des chambres du résonateur telles qu'une première des deux chambres soit couplée optiquement avec la deuxième extrémité du guide d'onde,
    • couplage de détecteurs acoustiques avec les chambres du résonateur,
    dans lequel la deuxième extrémité comporte, au niveau d'une interface avec la première chambre, une largeur de valeur supérieure à celle de la largeur de la première extrémité et supérieure à celle de ladite au moins une longueur d'onde donnée, et/ou dans lequel le procédé comporte la réalisation d'au moins un réseau de diffraction dans la deuxième extrémité du guide d'onde apte à diffracter une première partie du faisceau lumineux vers une couche réflectrice inférieure disposée sous la deuxième extrémité et une deuxième partie du faisceau lumineux vers une couche réflectrice supérieure disposée au niveau d'une paroi supérieure de la première chambre. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 représente de manière schématique un dispositif de détection photoacoustique, objet de la présente invention, selon un mode de réalisation particulier,
    • la figure 2 représente de manière schématique un exemple de réalisation d'une deuxième extrémité du guide d'onde du dispositif de détection photoacoustique, objet de la présente invention,
    • la figure 3 représente de manière schématique une partie du dispositif de détection photoacoustique, objet de la présente invention,
    • la figure 4 représente l'amplitude du signal mesuré par le dispositif de détection de gaz, objet de la présente invention, en fonction de la différence entre les largeurs des chambres du dispositif,
    • la figure 5 représente l'amplitude du signal mesuré par le dispositif de détection de gaz, objet de la présente invention, pour différentes distances entre les capillaires et pour des chambres de dimensions différentes,
    • les figures 6A à 6I représentent les étapes d'un procédé de réalisation d'un dispositif de détection photoacoustique, objet de la présente invention,
  • Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
  • Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
  • Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
    • EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
  • On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente schématiquement un dispositif de détection photoacoustique 100 selon un mode de réalisation particulier. Ce dispositif de détection photoacoustique 100 correspond à un dispositif de détection de gaz.
  • Le dispositif 100 comporte une source lumineuse 102 puissante, correspondant ici à un laser. Ce laser peut correspondre à un laser de type QCL (laser à cascade quantique) émettant dans le domaine MIR, par exemple à des longueurs d'ondes comprises entre environ 3 µm et 10 µm. Bien que non représentés, le dispositif 100 comporte également une alimentation électrique de la source lumineuse 102 ainsi que des moyens de modulation du faisceau lumineux émis à une fréquence de résonance acoustique de la cavité dans laquelle le faisceau est destiné à être envoyé. Par rapport à l'utilisation d'une source lumineuse 102 qui ne serait pas collimatée, l'utilisation d'une source lumineuse 102 collimatée dans le dispositif 100 permet d'augmenter grandement le facteur signal/bruit, par exemple d'un facteur 2. Le bruit de fenêtre correspond au signal acoustique parasite que toutes les parties solides émettent lorsqu'elles sont frappées par l'onde lumineuse modulée.
  • Le faisceau lumineux émis est ensuite transmis dans un guide d'onde optique 104, avantageusement monomode et par exemple formé d'un empilement Si/Ge/Si, ou SiN/Si/SiN, ou plus généralement d'un empilement d'un premier matériau d'indice optique ni, d'un deuxième matériau d'indice optique n2 > ni, et d'un troisième matériau d'indice optique n3 < n2 (avec n3 éventuellement égal à ni), ces trois matériaux étant transparents à la longueur d'onde émise par la source lumineuse 102. Le guide d'onde optique 104 comporte une première extrémité 105 couplée optiquement à la source lumineuse 102. Le couplage entre la source lumineuse 102 et le guide d'onde 104 peut être réalisé directement, par exemple par ondes évanescentes, ou via l'utilisation d'un coupleur (non représenté sur la figure 1) par exemple de type taper (formant un trapèze allongé extrudé).
  • Le dispositif 100 comporte également des éléments correspondant à des cavités, ou évidements, formés dans un ou plusieurs substrats solidaires les uns des autres, et formant un résonateur acoustique différentiel de type Helmholtz (DHR). Ces éléments sont :
    • une première chambre 106 dans laquelle le gaz à détecter est destiné à être excité par le faisceau lumineux émis par la source 102, et dont une face d'entrée destinée à recevoir le faisceau lumineux est couplée optiquement à une deuxième extrémité 107 du guide d'onde 104 ;
    • une deuxième chambre 108 ;
    • deux capillaires 110 et 112 permettant de faire communiquer les volumes des chambres 106 et 108 entre eux.
  • Le dispositif 100 comporte également un canal d'entrée 114 permettant d'amener le gaz dans les chambres 106 et 108 via le capillaire 110, et un canal de sortie 116 permettant d'évacuer le gaz hors des chambres 106 et 108 via le capillaire 112. Sur la figure 1, les canaux d'entrée 114 et de sortie 116 sont reliés aux capillaires 110 et 112 sensiblement au niveau du milieu de ces capillaires 110, 112. Des détecteurs acoustiques (non visibles sur la figure 1) tels que des microphones miniaturisés piézorésistifs, par exemple de type membrane ou poutre, sont également couplés aux chambres 106, 108 afin de réaliser les mesures de pression dans les chambres 106, 108. Chacune des chambres 106, 108 peut être couplée à un ou plusieurs microphones, par exemple jusqu'à huit microphones par chambre. Enfin, le dispositif 100 comporte également des circuits électroniques de traitement des signaux délivrés par les détecteurs acoustiques qui ne sont pas représentés sur la figure 1.
  • Le principe de fonctionnement du dispositif 100 est similaire à celui décrit dans le document EP 2 515 096 A1 et n'est donc pas décrit en détail ici.
  • Afin de confiner le faisceau lumineux dans la première chambre 106 et ainsi améliorer le couplage lumière-gaz se produisant dans la première chambre 106, le dispositif 100 comporte un élément permettant de contrôler la divergence horizontale (selon l'axe y représenté sur la figure 1) du faisceau lumineux à l'interface entre la première chambre 106 et la deuxième extrémité 107 du guide d'onde 104, et un élément permettant de contrôler la divergence verticale (selon l'axe z représenté sur la figure 1) du faisceau lumineux à cette interface.
  • Ainsi, à l'interface avec la première chambre 106, la deuxième extrémité 107 du guide d'onde 104 est réalisée telle que sa largeur (dimension selon l'axe y), c'est-à-dire sa dimension se trouvant dans le plan de propagation du faisceau lumineux et qui est perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau lumineux, augmente afin de réaliser le confinement horizontal du faisceau lumineux du fait que cet accroissement de la largeur de la deuxième extrémité 107 du guide d'onde 104 entraine une réduction de la diffraction dans la direction de cet élargissement. Cet élargissement de la deuxième extrémité 107 du guide d'onde 104 est représenté schématiquement sur la figure 2 qui représente une vue de dessus du guide d'onde 104 au niveau de sa deuxième extrémité 107 qui se trouve à l'interface avec la première chambre 106. Cet élargissement de la deuxième extrémité 107 du guide d'onde 104 est progressif et de préférence tel qu'il conserve le caractère monomode de la transmission du faisceau lumineux jusque dans la première chambre 106. Un tel élargissement peut être qualifié d'adiabatique lorsque l'indice effectif varie linéairement et qu'il permet de conserver le caractère monomode tout en minimisant la longueur de cette deuxième extrémité 107. La deuxième extrémité 107 du guide d'onde 104 peut par exemple avoir une largeur initiale, égale à celle du reste du guide d'onde 104 et notamment égale à celle au niveau de la première extrémité 105, égale à environ 3 µm, ou comprise entre environ 3 µm et 8 µm, et une largeur finale (largeur au niveau de l'interface avec la première chambre 106) égale à environ 30 µm, ou comprise entre environ 30 µm et 40 µm ou entre environ 30 µm et 50 µm, c'est-à-dire ici un rapport entre la largeur finale et la largeur initiale compris entre environ 10 et 13,33. Le rapport entre la largeur finale et la largeur initiale est par exemple compris entre environ 3 et 20, et par exemple d'environ 10. Afin de conserver le caractère monomode de la transmission du faisceau lumineux jusque dans la chambre 106, cet élargissement est par exemple réalisé sur une longueur d'environ 300 µm, ou comprise entre environ 50 µm et 500 µm. La valeur de la largeur initiale peut être de l'ordre de celle de la longueur d'onde du faisceau lumineux émis pour réaliser un guidage monomode de ce faisceau lumineux, et la valeur de la largeur finale est supérieure à celle de cette longueur d'onde pour obtenir un confinement horizontal du faisceau lumineux.
  • Le contrôle de la divergence verticale du faisceau lumineux est réalisé grâce à un réseau de diffraction 118 réalisé au niveau de la deuxième extrémité 107 du guide d'onde 104, et plus particulièrement au niveau d'une partie de cette deuxième extrémité 107 dont la largeur est sensiblement constante et égale à celle au niveau de l'interface avec la première chambre 106. Ce contrôle de la divergence verticale du faisceau lumineux est également réalisé grâce à une couche réflectrice inférieure 120 disposée sous la deuxième extrémité 107 et s'étendant jusqu'au niveau de la face d'entrée de la première chambre 106, et grâce à une couche réflectrice supérieure 122 disposée au niveau de la paroi supérieure de la chambre 106. Le réseau de diffraction 118 comporte une série de rainures, ou fentes, parallèles réalisées dans la couche de coeur du guide d'onde 104 (qui est par exemple à base de germanium), les rainures étant remplies par un matériau dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du matériau de la couche de coeur, par exemple par du SiO2, du nitrure de silicium, etc. Le réseau de diffraction 118 est par exemple réalisé sur une longueur d'environ 1 mm pour obtenir une efficacité de découplage suffisante de l'ordre de 60%.
  • La figure 3 représente la deuxième extrémité 107 du guide d'onde 104 formé par une première couche 124 de silicium, sur laquelle est disposée une couche de coeur 126, par exemple en germanium, elle-même recouverte par une deuxième couche 128 de silicium, les couches 124 et 128 formant les couches de gainage inférieure et supérieure du guide d'onde 104. En variante, la couche de coeur 126 pourrait être en silicium, et les couches 124 et 128 en SiN. Le réseau de diffraction 118 est réalisé de préférence au niveau de la partie basse de la couche de coeur 126 qui se trouve en contact avec la couche de gainage inférieure 124 afin d'éviter, lors de la réalisation du réseau de diffraction 118, la mise en oeuvre d'une reprise d'épitaxie du matériau de coeur sur une couche de silicium non plane. Toutefois, il est possible que le réseau de diffraction 118 soit réalisé au niveau de la partie haute de la couche de coeur 126 qui se trouve en contact avec la couche de gainage supérieure 128. Dans la configuration représentée sur la figure 3, un ou plusieurs détecteurs acoustiques (non représentés sur cette figure) sont couplés à la première chambre 106, au niveau de la paroi inférieure de la chambre 106, et à la deuxième chambre 108.
  • Une première partie 130 des rayons lumineux diffractés par le réseau de diffraction 118 sont orientés vers le bas, c'est-à-dire vers la couche réflectrice inférieure 120, et une deuxième partie 132 des rayons lumineux diffractés par le réseau de diffraction 118 sont orientés vers le haut, c'est-à-dire vers la couche réflectrice supérieure 122. Le pas du réseau de diffraction 118 est calculé pour que l'angle de diffraction des rayons 130 et 132 (cet angle étant le même pour les rayons 130 et 132) soit tel que les rayons 130 orientés vers le bas ou les rayons 132 orientés vers le haut traversent toute la longueur de la première chambre 106, qui est par exemple d'environ 2,6 mm, afin de maximiser la longueur du trajet du rayonnement lumineux dans la première chambre 106. Sur l'exemple représenté sur la figure 3, cet angle de diffraction est tel que les rayons 130, qui se réfléchissent tout d'abord sur la couche réflectrice inférieure 120, traversent toute la longueur de la première chambre 106, cette traversée de la première chambre 106 étant réalisée avec une réflexion sur la couche réflectrice supérieure 122 afin de maximiser la longueur de trajet dans la première chambre 106. En variante, le réseau de diffraction 118 pourrait être tel que l'angle de diffraction formé par les rayons diffractés par le réseau 118 permet aux rayons 132 de traverser toute la longueur de la première chambre 106.
  • Grâce à l'élargissement de la deuxième extrémité 107 du guide d'onde 104 et à la présence du réseau de diffraction 118 et des couches réflectrices 120 et 122, un confinement des rayons lumineux dans la première chambre 106 est obtenu, améliorant ainsi le couplage lumière-gaz dans la première chambre 106 et évitant également que la deuxième chambre 108 soit partiellement illuminée à cause de la divergence du faisceau.
  • Un exemple de dimensionnement optique des éléments du dispositif 100 est décrit ci-dessous. Cet exemple est calculé pour une première chambre 106 destinée à recevoir les rayons lumineux qui est de forme rectangulaire et qui comporte une largeur et une hauteur chacune égale à environ 300 µm, et une longueur égale à environ 2,6 mm. En considérant l'exemple précédemment décrit en liaison avec la figure 3 dans lequel le trajet des rayons 130 (c'est-à-dire les rayons diffractés vers la couche réflectrice inférieure 120 puis vers la couche réflectrice supérieure 122) est maximisé, la valeur de l'angle de diffraction α souhaité avec lequel les rayons lumineux sont diffractés par le réseau de diffraction 118 est tout d'abord calculée de telle façon que ces rayons traversent toute la longueur de la chambre 106. La valeur de l'angle de diffraction α (angle mesuré par rapport à l'axe du guide d'onde 104) est calculée à partir de l'équation transcendante suivante : sin α = n 2 n 1 sin a tan 2 ⁢ H − h 0 − d tan α d
    Figure imgb0001
    • avec n2 correspondant à l'indice de réfraction dans la chambre 106, c'est-à-dire ici égal à environ 1,
    • n1 correspondant à l'indice de réfraction du matériau de la première couche 124 dans laquelle les rayons sont diffractés, et égale à environ 3,4 dans le cas d'une première couche 124 en silicium,
    • H la hauteur de la chambre 106, ici égale à 300 µm,
    • h0 l'épaisseur de la première couche 124, ici égale à environ 10 µm,
    • d la distance entre le centre du réseau de diffraction 118 et la face d'entrée de la chambre 106, c'est-à-dire la moitié de la longueur du réseau de diffraction 18, ici égale à environ 0,5 mm.
  • L'angle de diffraction formé par les autres rayons (les rayons 132 dans l'exemple de la figure 3) sera similaire à celui pour les rayons dont le trajet est maximisé dans la première chambre 106. Il convient toutefois d'avoir un angle de diffraction suffisamment faible pour que ces autres rayons se dirigent tout de même vers la face d'entrée de la chambre 106.
  • Le pas Λ du réseau de diffraction 118 est alors calculé selon l'équation suivante : Λ= mλ n eff − n Si cos α
    Figure imgb0002
    • avec m correspondant à l'ordre de diffraction et qui est égal à 1 pour le calcul du pas du réseau,
    • λ correspondant à la longueur d'onde émise par la source lumineuse 102,
    • nsi correspondant à l'indice de réfraction du silicium (plus généralement du matériau de la couche inférieure 124),
    • α correspondant à l'angle de diffraction,
    • neff correspondant à l'indice effectif, c'est-à-dire l'indice vu par le mode (à la vitesse de propagation du mode dans le guide).
  • La source lumineuse 102 émet un rayonnement laser dans le domaine MIR à une longueur d'onde λ égale à 4 µm. Pour un angle de diffraction égal à 3,7° dans le silicium et égal à 12,5 ° dans l'air, un pas de 39 µm est obtenu pour α = 4°, nsi = 3,4 et neff = 3,5. Lorsque ce réseau de diffraction 118 est réalisé sur une longueur d'environ 1 mm sur un guide d'onde 104 dont la largeur passe de 3 µm à 30 µm sur une longueur d'environ 300 µm, une absorption d'environ 11,1 mW par W incident (puissance du faisceau entrant dans la chambre) dans le CO2 contenu dans l'air ambiant est obtenu, alors qu'une absorption de 4,6 mW par W incident est obtenue sans ces éléments permettant le confinement du faisceau lumineux. Un facteur d'environ 2,5 est obtenu sur la proportion de signal transmis dans la première chambre 106 grâce aux moyens de confinement utilisés. De plus, l'élargissement de la deuxième extrémité 107 du guide d'onde 104 a comme autre effet de réduire la diaphonie du fait que la deuxième chambre 108 n'est pas ou peu illuminée par le faisceau lumineux envoyé dans la première chambre 106.
  • Le taux de remplissage des rainures dans le réseau de diffraction 118 intervient sur le découplage réalisé. Il est déterminé par simulation et est par exemple égal à environ 50 %.
  • Selon une variante de réalisation, le dispositif 100 peut comporter des chambres 106 et 108 ne présentant pas des dimensions similaires. En effet, étant donné que le dispositif 100 est un dispositif miniaturisé réalisé via la mise en oeuvre de techniques de la microélectronique et des systèmes MEMS/NEMS, il peut apparaitre une opposition de phases entre les signaux de pression mesurés dans les deux chambres 106 et 108 qui soit imparfaite lorsque les dimensions des chambres 106 et 108 sont identiques. La soustraction de ces deux signaux qui est réalisée pour obtenir la mesure souhaitée n'est alors pas optimale. Afin d'améliorer cette opposition de phases, il est possible que les largeurs et/ou les longueurs des chambres 106 et 108 soit différentes l'une par rapport à l'autre. Une optimisation par simulation (par exemple en résolvant l'équation du champ de pression dans le dispositif 100, avec des chambres 106 et 108 de tailles différentes), par exemple via un calcul par la méthode des éléments finis, conduit au rapport optimal des dimensions des chambres 106 et 108.
  • La courbe représentée sur la figure 4 correspond à l'amplitude du signal obtenu (en Pa, et correspondant à la différence des pressions mesurées par les détecteurs acoustiques dans les deux chambres 106 et 108) en fonction de la largeur de la deuxième chambre 108 (en µm), pour une première chambre 106 de largeur égale à environ 300 µm. On voit sur cette figure que l'amplitude maximale du signal n'est pas obtenue pour une deuxième chambre 108 ayant une largeur similaire à celle de la première chambre 106, c'est-à-dire égale à environ 300 µm, mais pour une largeur supérieure à 300 µm dans ce cas particulier. Dans d'autres cas, l'amplitude maximale du signal peut être obtenue pour une deuxième chambre 108 ayant une largeur inférieure à celle de la première chambre 106.
  • Le dispositif 100 est par exemple formé par l'assemblage de trois substrats :
    • un premier substrat inférieur comportant les détecteurs acoustiques destinés à être couplés aux chambres 106 et 108, et dans lequel sont réalisés les canaux d'entrée et de sortie 114 et 116,
    • un deuxième substrat milieu dans lequel sont formés la source lumineuse 102, le guide d'onde 104, le réseau de diffraction 118 et les chambres 106 et 108 ;
    • un troisième substrat supérieur formant le capot des chambres 106 et 108 et dans lequel sont également réalisés les capillaires 110 et 112.
  • En variante, le dispositif 100 peut être réalisé avec seulement deux substrats. Dans ce cas, les capillaires 114 et 116 sont réalisés dans le deuxième substrat dans lequel les chambres 106 et 108 sont réalisées. Les capillaires 114 et 116 peuvent dans ce cas avoir une hauteur similaire à celle des chambres 106 et 108. En ne faisant appel qu'à deux substrats au lieu de trois, il est possible de réduire l'épaisseur des chambres 106 et 108 à une valeur inférieure à environ 300 µm du fait qu'une telle configuration avec deux substrats évite l'utilisation d'un substrat milieu dont l'épaisseur doit correspondre à l'épaisseur des chambres et qui est difficilement manipulable lorsque cette épaisseur est inférieure à environ 300 µm. En gravant les capillaires et les chambres dans un même substrat avec une profondeur qui est inférieure à l'épaisseur totale du substrat (du fait que dans ce cas, les parois supérieures des chambres et des capillaires sont formées par une partie non gravée du deuxième substrat et non par un troisième substrat reporté sur le deuxième substrat milieu), il est possible d'avoir des chambres 106 et 108 dont la hauteur est faible tout en conservant une épaisseur totale plus importante pour le substrat permettant une manipulation du substrat sans risque de casse. Un dispositif 100 réalisé avec seulement deux substrats permet la réalisation de chambres 106 et 108 dont l'épaisseur est par exemple comprise entre environ 300 µm et 100 µm, mais reste compatible avec la réalisation de chambres 106 et 108 d'épaisseur supérieure à environ 300 µm.
  • Cette réduction de l'épaisseur des chambres 106 et 108 permet d'obtenir un signal de sortie de plus forte amplitude. La courbe 10 représentée sur la figure 5 correspond à l'amplitude du signal obtenu (en Pa, et correspondant à la différence des pressions mesurées par les détecteurs acoustiques dans les deux chambres 106 et 108) en fonction de la distance entre les capillaires 110 et 112 pour un dispositif 100 dont les chambres 106 et 108 ont une épaisseur égale à environ 300 µm, et la courbe 12 correspond à l'amplitude du signal obtenu pour un dispositif 100 dont les chambres 106 et 108 ont une épaisseur égale à environ 200 µm. La figure 5 illustre bien le fait que l'amplitude du signal représenté par la courbe 12 est supérieure à celle obtenue pour le signal représenté par la courbe 10. De plus, l'amplitude du signal de sortie est impactée par la distance entre les capillaires 110 et 112 en raison des pertes d'énergie dans les couches limites et de la forme particulière de l'écoulement du gaz.
  • Un exemple de procédé de réalisation du dispositif de détection photoacoustique 100 est décrit en liaison avec les figures 6A à 6I qui représentent des vues en coupe schématiques des éléments du dispositif 100. Dans cet exemple de réalisation, le dispositif 100 est réalisé via un assemblage de trois substrats.
  • Les figures 6A à 6F représentent les étapes concernant la réalisation du deuxième substrat milieu qui comporte le guide d'onde 104, le réseau de diffraction 118 et les chambres 106 et 108, ainsi que d'autres éléments tels que les contacts électriques des détecteurs acoustiques. Les figures 6G à 6I représentent les étapes ultérieures du procédé au cours desquelles le deuxième substrat milieu est solidarisé au premier substrat inférieur et au troisième substrat supérieur formant notamment le capot des chambres 106 et 108.
  • Comme représenté sur la figure 6A, le deuxième substrat milieu correspond à un substrat 134 massif (« bulk ») de semi-conducteur, ici à base de silicium. Le matériau se trouvant au niveau d'une face supérieure du substrat 134 correspond au matériau qui formera la couche de gainage supérieure 128 du guide d'onde 104. On réalise ensuite un premier dépôt ou une croissance épitaxiale d'une couche 136 à base d'un matériau d'indice de réfraction supérieur à celui du matériau du substrat 134 et transparent à la ou aux longueurs d'ondes destinées à être transmises par le guide d'onde 104, ici un matériau transparent dans l'infrarouge et pour des longueurs d'ondes comprises entre environ 3 µm et 10 µm. Une partie de cette couche 136, par exemple formée par épitaxie, est destinée à former la couche de coeur 126 du guide d'onde 104. L'épaisseur et le matériau de la couche 136 sont choisis pour que le guide d'onde 104 puisse réaliser un guidage monomode du faisceau lumineux.
  • L'épaisseur de la couche 136 est par exemple comprise entre environ 1 et 10 µm, et est par exemple à base de germanium ou de SiGe selon le matériau souhaité pour former la couche de coeur 126 du guide d'onde 104. Dans le cas d'une couche 136 à base de SiGe, la composition en germanium du SiGe, c'est-à-dire la proportion de germanium dans le SiGe, peut être constante ou bien varier le long de l'épaisseur de la couche 136 pour réaliser une couche de coeur comprenant un gradient d'indice selon un profil (dans le sens de l'épaisseur de la couche 136) pouvant être triangulaire ou trapézoïdal. Par exemple, pour un guide d'onde 104 destiné à transmettre une longueur d'onde de 4,5 µm, la composition en germanium au sein de la couche 136 peut former, le long de l'épaisseur de cette couche, un profil triangulaire sur une épaisseur d'environ 3 µm avec une composition de germanium allant de 0% (au niveau des faces supérieure et inférieure de la couche 136) à 40 % au milieu de la couche 136, ces variations étant par exemple linéaires le long de l'épaisseur de la couche 136. En variante, la couche 136 peut être à base de SiGe et comporter une concentration en germanium constante le long de l'épaisseur de cette couche et par exemple égale à 40 %, la couche 136 ayant dans ce cas une épaisseur par exemple égale à 2,7 µm.
  • Le réseau de diffraction 118 est ensuite réalisé au niveau de la face supérieure de la couche 136. Pour cela, une lithographie et une gravure de type RIE (gravure ionique réactive) ou DRIE (gravure ionique réactive profonde) sont mises en oeuvre à l'emplacement prévu du réseau de diffraction 118, c'est-à-dire au niveau de la partie de la deuxième extrémité 107 du guide d'onde 104 qui est destinée à se trouver à proximité de l'emplacement prévu pour la première chambre 106 qui est destinée à recevoir le faisceau lumineux. La photolithographie et la gravure sont mises en oeuvre telles qu'elles forment, dans une partie de l'épaisseur de la couche 136 (l'épaisseur de la couche 136 étant par exemple comprise entre environ 1 µm et 10 µm), les rainures du réseau de diffraction dont les dimensions et l'espacement correspondent aux valeurs calculées afin d'obtenir l'angle de diffraction désiré, comme précédemment décrit.
  • Après cette gravure, une couche 138 de matériau dont l'indice de réfraction est inférieure à celui du matériau de la couche 136, tel que du SiO2, du SiN ou du Si3N4, est formée, par exemple par dépôt, sur la couche 136 et dans les motifs gravés à travers la face supérieure de la couche 136 pour former le réseau de diffraction 118 (figure 6B).
  • La couche 138 est ensuite planarisée, par exemple via une planarisation mécano-chimique (CMP) avec arrêt sur la face supérieure de la couche 136, afin que le matériau de faible indice ne soit conservé que dans les motifs du réseau de diffraction 118.
  • Le coeur du guide d'onde 104 est ensuite réalisé par lithographie et gravure de la couche 136 afin qu'au moins une partie des portions restantes de la couche 136 forment la couche de coeur 126 du guide d'onde 104. Cette gravure n'est pas visible sur les figures 6A-6I. Cette gravure est réalisée à travers une partie ou la totalité de l'épaisseur de la couche 136 selon la structure souhaitée pour former le coeur du guide d'onde 104. Lorsque le guide d'onde 104 comporte une couche de coeur 126 en SiGe à gradient d'indice de forme triangulaire, la couche 136 peut être gravée telle que la portion restante formant le guide d'onde 104 ait une largeur égale à environ 3,3 µm, ou comprise entre environ 3,3 µm et 8 µm, ce qui lui permet de réaliser un guidage monomode d'un faisceau lumineux de longueur d'onde égale à 4,5 µm. Comme précédemment décrit, la deuxième extrémité 107 du guide d'onde 104 est réalisée avec un élargissement progressif afin de permettre une transmission du mode fondamental du faisceau lumineux pour lequel le réseau de diffraction 118 est optimisé tout en réduisant la diffraction du faisceau selon la direction de l'élargissement, et donc améliorer le confinement horizontal du faisceau lumineux.
  • La ou les portions restantes de la couche 136 sont ensuite recouvertes par le dépôt ou la croissance épitaxiale d'une couche 140 destinée à former la couche de gainage inférieure 124 du guide d'onde 104, qui est donc à base d'un matériau de plus faible indice de réfraction que celui de la couche de coeur, et par exemple à base de silicium dans le cas d'une couche de coeur en SiGe. Cette couche 140 est ensuite planarisée par exemple via une CMP afin que la face supérieure de la couche 104 forme une surface plane (figure 6C).
  • En variante, la réalisation du réseau de diffraction 118 pourrait être simplifiée en mettant en oeuvre une seule étape de lithographie, une seule étape de gravure et une seule étape de CMP.
  • Des matériaux autres que le silicium et le germanium peuvent être utilisés pour réaliser le guide d'onde 104, ces matériaux devant toutefois permettre une transmission de la longueur d'onde du faisceau lumineux et être compatibles avec les techniques mises en oeuvre pour réaliser le dispositif 100. Il est toutefois possible de réaliser le guide d'onde 104 avec une couche de coeur en silicium et disposée entre deux couches de gainage en SiN.
  • Une couche diélectrique 142 est ensuite déposée sur la couche 140, par exemple à base de SiO2 et d'épaisseur égale à environ 1 µm, ou à base de SiN ou d'Al2O3. Cette couche diélectrique 142 est gravée au niveau d'emplacements destinés à former des reprises de contact électriques des détecteurs acoustiques du dispositif 100 (figure 6D). Une couche électriquement conductrice, par exemple à base de métal, est ensuite déposée sur la couche diélectrique 142. Cette couche électriquement conductrice est par exemple à base d'AISi (comportant environ 1 % de silicium). La couche électriquement conductrice est ensuite gravée afin que des portions restantes 144 de cette couche, remplissant notamment les emplacements précédemment gravés dans la couche diélectrique 142, forment les contacts électriques des détecteurs acoustiques. Au moins une autre portion restante 146 de cette couche électriquement conductrice peut également être conservée afin de former la couche réflectrice inférieure 120, notamment lorsque le matériau de la couche diélectrique 142 ne permet pas que cette fonction de réflexion de la lumière diffractée par le réseau de diffraction 118 ne soit remplie par la couche 142 (figure 6E). Dans le cas d'une couche 142 en SiO2 et d'un coeur du guide d'onde 104 en germanium ou en SiGe entouré de couches de gainage en silicium, cette fonction de réflexion lumineuse est remplie par la couche 142 car une réflexion lumineuse totale se produit à l'interface Si/SiO2 en raison du faible angle d'incidence du faisceau lumineux diffracté par le réseau de diffraction 118.
  • Une autre couche diélectrique 147, par exemple à base d'un matériau similaire à celui de la couche diélectrique 142, et/ou d'épaisseur similaire à celle de la couche diélectrique 142, est ensuite déposée en recouvrant les portions restantes 144, 146. Une couche de scellement est ensuite réalisée afin de permettre par la suite la solidarisation du deuxième substrat milieu avec le premier substrat comportant les détecteurs acoustiques. Cette couche de scellement peut correspondre soit à une couche métallique, par exemple une couche à base d'or et d'épaisseur égale à environ 800 nm, ou une couche à base d'aluminium d'épaisseur égale à environ 400 nm disposée sur une couche de germanium d'épaisseur égale à environ 200 nm, permettant de réaliser un scellement eutectique avec le semi-conducteur (par exemple du silicium) du premier substrat. Cette couche de scellement peut également correspondre à une couche de polymère par exemple d'épaisseur égale à environ 1 µm. Comme représenté sur la figure 6F, cette couche de scellement est gravée afin de ne conserver des portions de scellement 148 qu'à certains endroits. De plus, certaines des portions de scellement restantes sont reliées électriquement aux portions restantes conductrices 144 avec de former les contacts électriques qui seront reliés électriquement aux détecteurs acoustiques du dispositif 100.
  • Comme représenté sur la figure 6G, le deuxième substrat milieu 150 obtenu par la mise en oeuvre des étapes précédemment décrites est retourné et solidarisé au premier substrat, référencé 152, qui comporte les détecteurs acoustiques ainsi que d'autres éléments électriques et/ou électroniques non visibles sur les figures 6A-6I. Du fait du retournement du deuxième substrat milieu 150, le réseau de diffraction 118 se retrouve localisé dans la partie inférieure de la couche de coeur 126 du guide d'onde 104, comme précédemment décrit en liaison avec la figure 3. Les détecteurs acoustiques 154, qui sont des microphones piézorésistifs de type poutre, sont disposés à proximité de la partie du deuxième substrat 150 dans laquelle les chambres 106 et 108 sont destinées à être réalisées, et sont reliés électriquement aux contacts électriques 144 précédemment réalisés. De plus, les détecteurs 154 sont disposés dans une partie 156 gravée du premier substrat 152 qui permettra ultérieurement de réaliser une mise à l'air des détecteurs 154 afin qu'ils soient soumis à la pression atmosphérique. De plus, les détecteurs 154 sont reliés à des nanojauges de contrainte 158 permettant la transformation des pressions mesurées par les détecteurs acoustiques 154 en signaux électriques.
  • Après le scellement du deuxième substrat milieu 150 au premier substrat 152, le deuxième substrat milieu 150 peut être aminci à l'épaisseur souhaitée correspondant à la hauteur désirée des chambres 106 et 108, par exemple égale à 300 µm (figure 6H). Cet amincissement est réalisé en réduisant l'épaisseur de la couche massive 134.
  • Des étapes de lithographie et gravure (par exemple de type DRIE) sont ensuite réalisées à travers le second substrat milieu 150 pour former les chambres 106 et 108.
  • La lumière de la source lumineuse 102 laser peut être injectée directement dans le guide d'onde 104, la source lumineuse 102 étant dans ce cas couplée bout-à-bout avec le guide d'onde 104 via un couplage dit « hybride ». Il est également possible d'avoir un couplage « hétérogène » dans lequel la source lumineuse 102 laser, par exemple de type QCL et réalisé en matériau III-V, est rapporté sur le substrat de silicium. Une structure supplémentaire, formée par exemple par lithographie et gravure, assure dans ce cas le couplage entre le guide d'onde 104 et la source lumineuse 102. Les couches épitaxiées du laser QCL peuvent être transférées sur le silicium par collage direct, comme décrit par exemple dans le document « Electrically driven hybrid Si/III-V Fabry-Pérot lasers based on adiabatic mode transformers » de B. Ban Bakir et al., Opt. Express 2011, vol. 19, n°11, 23 mai 2011.
  • Comme représenté sur la figure 6I, le troisième substrat supérieur 160 est solidarisé sur le deuxième substrat milieu 150 aminci. Les capillaires 110 et 112 sont réalisés dans le troisième substrat supérieur 160 préalablement à la solidarisation de ce troisième substrat 160 avec le deuxième substrat milieu 150. La solidarisation est mise en oeuvre via une couche de scellement eutectique, par exemple formée d'un empilement d'une couche de tungstène d'épaisseur égale à 50 nm, d'une couche de nitrure de tungstène d'épaisseur égale à 50 nm et d'une couche d'or d'épaisseur égale à 800 nm, déposées puis structurées sous la forme d'un cordon de scellement 162. Le troisième substrat 160 forme notamment les parois supérieures des chambres 106 et 108. Ainsi, une des portions restantes de la couche de scellement peut être utilisée pour former la couche réflectrice supérieure 122 dans la première chambre 106. Le scellement eutectique est réalisé entre la couche d'or du cordon de scellement 162 et le silicium (correspondant au matériau de la couche 134 amincie) du deuxième substrat milieu 150.
  • En variante, préalablement à la solidarisation du troisième substrat 160 au deuxième substrat 150, les capillaires 110, 112 peuvent être réalisés après le dépôt et la structuration de la couche de scellement eutectique. Dans ce cas, la couche réflectrice supérieure 122 est déposée ultérieurement par exemple à travers un pochoir pour localiser cette couche au niveau de la partie du troisième substrat supérieure 160 destinée à forme la paroi supérieure de la première chambre 106.
  • Les canaux d'entrée 114 et de sortie 116 sont réalisés à travers le premier substrat inférieur 152. D'autres ouvertures 164 sont réalisées à travers le premier substrat inférieur 152 notamment pour que les détecteurs acoustiques 154 soient à la pression atmosphérique et former des accès pour graver des portions de matériau diélectriques temporaires présentes dans les substrats, en contact notamment avec les détecteurs acoustiques 154 et avec les portions métalliques 144, 146.
  • Dans le cas d'une réalisation du dispositif 100 avec uniquement deux substrats, les capillaires 110 et 112 sont réalisés dans la même couche que les chambres 106 et 108, c'est-à-dire dans le deuxième substrat 150. Dans ce cas, la couche réflectrice supérieure est réalisée via une étape de métallisation au pochoir au niveau de la paroi de fond de la cavité destinée à former la première chambre 106, préalablement à la solidarisation des deux substrats.
  • Dans le dispositif 100 précédemment décrit, le réseau de diffraction 118 est dimensionné notamment en fonction de la longueur d'onde du faisceau lumineux destiné à être diffracté, la longueur d'onde du faisceau lumineux étant adaptée en fonction de la nature du gaz à détecter. Le dispositif 100 peut être adapté pour réaliser une détection de plusieurs types de gaz en réalisant dans le dispositif 100 plusieurs guides d'ondes parallèles qui débouchent sur une ou sur deux faces d'entrée (de chaque côté) de la première chambre 106, chacun des guides d'onde étant couplé à une source lumineuse émettant à une longueur d'onde différente, par exemple entre 4 µm et 5 µm, qui est destinée à être diffractée par le réseau de diffraction réalisé sur chacun des guides d'ondes. Un multiplexeur optique peut également être utilisé pour que la chambre 106 puisse recevoir différentes longueurs d'ondes, comme décrit dans le document EP 2 515 096 A1 . En outre, il est également possible que les deux chambres 106 et 108 soient couplées à des sources lumineuses émettant par exemple à des longueurs d'ondes différentes les unes des autres, ce qui permet d'exciter le gaz présent dans l'une ou l'autre des chambres 106 et 108 selon le gaz à détecter.
  • Dans le dispositif 100 précédemment décrit, le confinement horizontal du faisceau lumineux est réalisé grâce à l'élargissement de la deuxième extrémité 107 du guide d'onde 104. Ce confinement horizontal peut être amélioré en réalisant des tranchées remplies d'un matériau réflecteur, par exemple un métal tel que de l'or, de l'aluminium, autour de la première chambre 106. Ces tranchées sont suffisamment éloignées, par exemple de quelques dizaines de microns, de la première chambre 106 pour ne pas ajouter de bruit de fond thermique, lié à l'absorption du rayonnement infrarouge par les matériaux environnant la chambre excitée. De telles tranchées peuvent être réalisées dans le deuxième substrat 150, par exemple lors de la gravure des chambres 106 et 108.
  • Dans l'exemple de la figure 1 précédemment décrit, les canaux d'entrée 114 et de sortie 116 sont reliés aux capillaires 110 et 112 sensiblement au niveau du milieu de ces capillaires 110, 112. En variante, étant donné que le dispositif 100 est un dispositif miniaturisé réalisé par la mise en oeuvre d'étapes de la microélectronique, ces canaux d'entrée 114 et de sortie 116 peuvent être reliés aux capillaires 110 et 112 à un autre niveau que leur milieu, et cela sans perturber la symétrie de l'écoulement du gaz dans le dispositif 100.
  • Pour augmenter l'intensité du signal mesuré par les détecteurs acoustiques du dispositif 100, il est possible de placer les capillaires 110, 112 aux extrémités des chambres 106, 108. Une telle configuration permet d'augmenter d'environ 5 % l'amplitude du signal mesuré par les détecteurs acoustiques.
  • Les différentes options de réalisation décrites dans le document EP 2 515 096 A1 , comme par exemple l'utilisation d'un refroidisseur à effet Peltier, d'un amplificateur intégré au dispositif de détection photoacoustique, ou les différents exemples de matériaux décrits, peuvent s'appliquer au dispositif de détection photoacoustique de l'invention.

Claims (14)

  1. Dispositif microélectronique de détection photoacoustique (100) comprenant :
    - au moins un substrat (150, 160) comportant des cavités (106, 108, 110, 112) formant un résonateur acoustique différentiel de type Helmholtz ;
    - des détecteurs acoustiques (154) couplés à deux desdites cavités formant des chambres (106, 108) du résonateur ;
    - une source lumineuse (102) apte à émettre un faisceau lumineux (130, 132) à au moins une longueur d'onde donnée ;
    - un guide d'onde optique (104) comportant une première extrémité (105) couplée optiquement à la source lumineuse (102) et une deuxième extrémité (107) couplée optiquement à une première (106) des deux chambres,
    caractérisé en ce que la deuxième extrémité (107) comporte, au niveau d'une interface avec la première chambre (106), une largeur de valeur supérieure à celle de la largeur de la première extrémité (105) et supérieure à celle de ladite au moins une longueur d'onde donnée, la largeur étant une dimension sensiblement perpendiculaire à une direction de propagation du faisceau lumineux (130, 132) dans le guide d'onde optique (104), et/ou dans lequel le dispositif de détection photoacoustique (100) comporte au moins un réseau de diffraction (118) disposé dans la deuxième extrémité (107) du guide d'onde (104) et apte à diffracter une première partie (130) du faisceau lumineux vers une couche réflectrice inférieure (120) du guide d'onde optique (104) disposée sous la deuxième extrémité (107) et une deuxième partie (132) du faisceau lumineux vers une couche réflectrice supérieure (122) formant une paroi supérieure de la première chambre (106).
  2. Dispositif (100) selon la revendication 1, dans lequel un rapport entre la largeur de la deuxième extrémité (107) au niveau de l'interface avec la première chambre (106) et la largeur de la première extrémité (105) est supérieur ou égal à 3.
  3. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la deuxième extrémité (107) forme une portion du guide d'onde (104) dont la largeur croit depuis une première valeur égale à celle de la largeur de la première extrémité (105) jusqu'à une deuxième valeur égale à celle de la largeur de la deuxième extrémité (107) au niveau de l'interface avec la première chambre (106).
  4. Dispositif (100) selon la revendication 3, dans lequel la largeur de la deuxième extrémité (107) croit sur une partie, appelée première partie, de la deuxième extrémité (107) dont la longueur est supérieure ou égale à environ dix fois la largeur de la deuxième extrémité (107) au niveau de l'interface avec la première chambre (106).
  5. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le réseau de diffraction (118) est disposé dans une partie, appelée deuxième partie, de la deuxième extrémité (107) dont la largeur est sensiblement constante et égale à celle au niveau de l'interface avec la première chambre (106).
  6. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le réseau de diffraction (118) est disposé au niveau d'une interface entre une couche de coeur (126) du guide d'onde (104) et une couche de gainage inférieure (124) du guide d'onde (104), la couche de gainage inférieure (124) étant disposée entre la couche de coeur (126) et la couche réflectrice inférieure (120).
  7. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le réseau de diffraction (118) est apte à diffracter le faisceau lumineux tel que la première (130) ou la deuxième (132) partie du faisceau lumineux atteigne, après une réflexion sur la couche réflectrice inférieure (120) et/ou la couche réflectrice supérieure (122), une paroi de fond de la première chambre (106) qui est opposée à celle en contact avec la deuxième extrémité (107) du guide d'onde (104).
  8. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les détecteurs acoustiques (154) sont disposés dans un premier substrat (152) et couplés aux chambres (106, 108) du résonateur formées dans un deuxième substrat (150) solidarisé au premier substrat (152), des volumes des chambres (106, 108) communiquant entre eux par des capillaires (110, 112) formés dans un troisième substrat (160) solidarisé au deuxième substrat (150).
  9. Dispositif (100) selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel les détecteur acoustiques (154) sont disposés dans un premier substrat (152) et couplés aux chambres (106, 108) du résonateur formées dans un deuxième substrat (150) solidarisé au premier substrat (152), des volumes des chambres (106, 108) communiquant entre eux par des capillaires (110, 112) formés dans le deuxième substrat (150), le deuxième substrat (150) ayant une épaisseur inférieure à 300 µm.
  10. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre des tranchées remplies d'au moins un matériau optiquement réfléchissant et disposées autour des parois latérales de la première chambre (106).
  11. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les deux chambres (106, 108) comportent des dimensions différentes l'une par rapport à l'autre.
  12. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les détecteurs acoustiques (154) comportent des microphones piézorésistifs de type poutre.
  13. Dispositif de détection de gaz, comportant au moins un dispositif microélectronique de détection photoacoustique (100) selon l'une des revendications précédentes et comportant en outre des canaux d'entrée (114) et de sortie (116) de gaz communiquant avec les chambres (106, 108) du résonateur et dans lequel la longueur d'onde destinée à être émise par la source lumineuse (102) correspond à une longueur d'onde d'absorption d'un gaz destiné à être détecté.
  14. Procédé de réalisation d'un dispositif microélectronique de détection photoacoustique (100), comportant au moins les étapes de :
    - réalisation, dans au moins un substrat (150, 160), d'un guide d'onde optique (104) comportant une première extrémité (105) et une deuxième extrémité (107),
    - réalisation d'une source lumineuse (102) apte à émettre un faisceau lumineux à au moins une longueur d'onde donnée et telle que la source lumineuse (102) soit couplée optiquement à la première extrémité (105) du guide d'onde (104),
    - réalisation, dans ledit au moins un substrat (150, 160), de cavités (106, 108, 110, 112) formant un résonateur acoustique différentiel de type Helmholtz, deux desdites cavités formant des chambres (106, 108) du résonateur telles qu'une première (106) des deux chambres soit couplée optiquement avec la deuxième extrémité (107) du guide d'onde (104),
    - couplage de détecteurs acoustiques (154) avec les chambres (106, 108) du résonateur,
    caractérisé en ce que la deuxième extrémité (107) comporte, au niveau d'une interface avec la première chambre (106), une largeur de valeur supérieure à celle de la largeur de la première extrémité (105) et supérieure à celle de ladite au moins une longueur d'onde donnée, la largeur étant une dimension sensiblement perpendiculaire à une direction de propagation du faisceau lumineux (130, 132) dans le guide d'onde optique (104), et/ou dans lequel le procédé comporte la réalisation d'au moins un réseau de diffraction (118) dans la deuxième extrémité (107) du guide d'onde (104) apte à diffracter une première partie (130) du faisceau lumineux vers une couche réflectrice inférieure (120) du guide d'onde optique (104) disposée sous la deuxième extrémité (107) et une deuxième partie (132) du faisceau lumineux vers une couche réflectrice supérieure (122) formant une paroi supérieure de la première chambre (106).
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